DE19731381A1

DE19731381A1 - Elektromagnetische Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE19731381A1
Application number: DE19731381A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 1999-01-28

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine derartige Stelleinrichtung ist z. B. aus der DE 35 46 513 C2 bekannt. Dort wird die Wicklung jedes Elektromagnets zuerst bis zum Erreichen eines maximalen Stroms an Spannung gelegt. Dann wird der Strom abgeschaltet. Über eine Freilaufschaltung fällt nun der Strom ab. Bei Erreichen eines unteren Werts des Stroms wird wieder Spannung an die Wicklung gelegt bis ein oberer Stromwert erreicht ist. Nun wird wieder abgeschaltet usw. also die Wicklung um einen gegenüber dem maximalen Stromwert kleineren Stromwert getaktet, wodurch die Leistung und die Magnetkraft auf den zum Halten notwendigen Wert vermindert werden.

Es ist auch bekannt Permanentmagnete zum Halten des Ankers zu benutzen (sh. z. B. DE 35 00 530 C2).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Leistung für das Halten des Ankers in wenigstens einer seiner Endstellungen und damit den Gesamtleistungsbedarf der elektromagnetischen Stelleinrichtung zu verringern. Dies ist insbesondere bei Anwendung der elektromagnetischen Stelleinrichtung zur Ventilbetätigung bei Verbrennungsmotoren von Interesse.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Hauptwicklung muß den Strom schnell ansteigen lassen, kann also nicht eine hohe Windungszahl aufweisen. Deshalb ist zur Erzeugung der notwendigen Amperewindungen eine hohe Leistung notwendig. Dagegen hat die Haltewicklung Zeit, um auf die zum Halten notwendige Erregung zu kommen. Die Haltewicklung darf also deutlich mehr Windungen aufweisen, und kommt somit mit deutlich geringerem Strom aus. Die Reduzierung der Halteleistung ist erheblich, sie wird auf ca. 15 bis 20% gegenüber einer Wicklung abgesenkt. Die Stromabsenkung bedeutet jedoch auch eine wesentliche Wärmereduzierung.

Die Unteransprüche beinhalten günstige Ausgestaltungen und Weiterbildungen. Insbesondere sind dort Möglichkeiten angesprochen, wie man die beiden Wicklungen gemeinsam oder als gegenseitige Redundanz nutzen kann, was von großem Vorteil ist, weil damit der Ausfall einer Spule nicht den Ausfall der gesamten Stelleinrichtung bedeutet.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den möglichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung,

Fig. 2 eine Schaltung zur Betätigung der Stelleinrichtung,

Fig. 3 bis 6 Diagramme zum Aufzeigen unterschiedlicher Ansteuerungen der Wicklungen einer Stelleinrichtung.

In Fig. 1 ist eine möglicher Aufbau einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung gezeigt. Es sind zwei Magnetkreise 3 und 4 dargestellt, auf denen Wicklungen 11 und 9 aufgebracht sind. Ein Anker 7 ist mittels eines Drehstabs 8 gelagert, der um die Achse 8a verdreht werden kann. Die Magnetpole 3a und 4a sind entsprechend dieser Drehbewegung schräg ausgebildet. Der Drehstab 8 stellt den Anker 7 ohne Ansteuerung einer der Wicklungen 11 oder 9 in die gezeichnete Zwischenstellung. Durch Ansteuerung einer der Wicklungen 9 oder 11 wird der Anker 7 in eine Endstellung in der Nähe der Pole 3a oder 4a gebracht. Der Anker 7 ist mittels eines Käfigs 1 mit dem Drehstab 8 verbunden. Am Anker 7 ist eine Betätigungsstange angelenkt, die mit einem zu betätigenden Ventil 6 über eine Kopplung 5 verbunden ist. Auf den Magnetkreisen, 3 und 4 sind zusätzlich Haltewicklungen 10 und 12 aufgebracht, die im Grundsatz dazu dienen den Anker 7 in den Endstellungen festzuhalten. Diese Wicklungen 10 und 12 weisen gegenüber den Wicklungen 9 und 11 eine höhere Windungszahl und damit eine größere Zeitkonstante auf.

In Fig. 2 sind links die zwei Hauptwicklungen 9 und 11 und rechts die zwei Haltewicklungen 10 und 11 gezeigt. Diese Wicklungen 9-12 werden von einem gemeinsamen µ-Prozessor angesteuert, der in der Zeichnung der einfacheren Darstellung halber in zwei Teile 13a und 13b aufgeteilt ist. Die Hauptwicklungen 9 und 11 werden von dem M-Prozessorteil 13a über Verstärker 14a und 14b angesteuert, die an einer Spannungsquelle 15 von z. B. 42 Volt liegen. Bei den beiden Hauptwicklungen sind zwei Alternativen für eine Rückmeldung dargestellt, nämlich eine Rückmelderleitung 16 vom Verstärker 14a zur Signalisierung des Stromflusses und eine Rückmeldeleitung 17 vom als Shunt wirkenden Widerstand 18, mittels dem der Spulenstrom gemessen wird.

Die Haltewicklungen 10 und 12 werden über Verstärker 19a und 19b, bzw. 20a und 20b angesteuert. Die Verstärker 19a und 20a liegen an einer Spannungsquelle 21 von z. B. 12 V an. Die Verstärker 19b und 20b liegen an der Spannungsquelle 15. Alle Verstärker werden vom µ-Prozessorteil 13b durch- bzw. abgeschaltet. Beiden Wicklungen 10 und 12 sind Shunts 22 bzw. 23 nachgeschaltet. Rückführleitungen 24 bzw. 25 führen zum µ-Prozessorteil 13b zurück.

An die Spannungsquelle 15 ist ein Converter 26 angeschaltet, der die Spannung der Spannungsquelle 15 erhöht, die an den Verstärkern 19b und 20b anliegt.

Anhand der Diagramme der Fig. 3 bis 6 werden Alternativen der Ansteuerung erläutert. Diese Figuren zeigen Stromverläufe an je einer Hauptwicklung z. B. 9 und der zugehörigen Haltewicklung z. B. 10.

Fig. 3 zeigt unten die Ansteuerspannung. Ein Impuls der Spannungsquelle 15 mit der Spannungshöhe U₂ wird auf die Verstärker 14 a und 19b gegeben. Dieser Impuls erzeugt in der Hauptspule 14a den Stromverlauf i_Hs und in der Haltespule 19a den Verlauf i_HaS bis zum Zeitpunkt t₁. Danach werden auf die Haltespule 19a über dem Verstärker 19a Impulse mit der Amplitude U₁ der Spannungsquelle 21 gegeben, die den getakteten Stromverlauf in der Haltespule ab t₁ erzeugen. Hieran anschließen kann sich nach t₂ durch Änderung der Ansteuerimpulse ein Takten um einen im Mittel kleineren Stromwert. Für das Takten kann die Leitung 24 benutzt werden, die den oberen und unteren Wert des Wicklungsstroms zum µ-Prozessor 13b signalisiert und damit den Verstärker 19a ein- und ausschaltet.

In Fig. 4 ist unterstellt, daß durch die Hilfswicklung 19a mit ihrem Strom i_HaS und die Hauptwicklung 14a mit ihrem Strom i_HS ab t₁ zuerst die Haltefunktion gemeinsam bewirken. Ab t₂ übernimmt die Haltewicklung 19a allein diese Funktion, und deren Strom wird getaktet. Auch hier kann der Shunt 22 und die Leitung 24 in die Taktung einbezogen sein; desgleichen kann die Leitung 16 für die Hauptspule bzw. eine Ausbildung 17/18 entsprechend der Hauptspule 11 zur Taktung genutzt werden. Im ersten Fall ist die Endstufe 14a eine moderne Endstufe mit virtuellem Shunt. Diese liefert ein Signal wenn Strom fließt.

Im Fall der Fig. 5 ist die Haltewicklung ausgefallen. Hier muß die Hauptwicklung das Halten übernehmen, wozu auf unterschiedlichen Niveau getaktet wird.

Im Fall der Fig. 6 ist unterstellt, daß die Hauptwicklung 9 ausgefallen ist, was über die Leitung 16 erkannt wird. Jetzt wird der Converter 26 über eine Steuerleitung 26a eingeschaltet und dessen hohe Spannung U₃ auf die Verstärker 19b und 20b gegeben. Jetzt erzeugt diese hohe Spannung einen schnell ansteigenden Impuls vergleichbar mit dem der Fig. 3. Danach wird zum Halten wieder getaktet.

Es ist auch möglich zum Anschwingen des Systems, d. h. wenn der Anker aus der Ruhestellung heraus beschleunigt werden soll, beide Spulen hierfür anzusteuern, wozu man vorzugsweise die Haltespule mit einer erhöhten Spannung ansteuert.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 zeigt wieder einen Mikroprozessor 33 der fünf Endstufen 34a, 34b, 34c, 39 und 40 ansteuert. Die Endstufen sind Endstufen mit integrierten Shunts. Die Endstufe 34c ist einer Hauptwicklung 31 zugeordnet. Die Endstufen 39 und 40 sind den beiden Haltewicklungen 30 und 32 der beiden Magnete zugeordnet. Im Gegensatz zur Fig. 2 ist die zweite Hauptwicklung und zwar die für den Magneten, der das Ventil schließt, in zwei Teilwicklungen 29a und 29b aufgeteilt, die auch über getrennte Endstufen 3a und 34b angesteuert werden. Hierdurch wird schneller eine ausreichende Erregung des Magneten erzeugt. Die Aufteilung ist auch bei der anderen Hauptwicklung möglich. Es ist wie in Fig. 2 ein Converter 36 vorgesehen. Wie im Fall der Fig. 2 können auch hier bei Wicklungsausfall die Wicklungen ausgetauscht werden. In Fig. 7 ist auch eine Ansteuerung der Hauptwicklungen 29a, 29b, und 29c mit der hohen Ausgangsspannung des Converters möglich.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 sind keine Haltespulen vorgesehen. Hier ist unterstellt, daß eine Rasteinrichtung vorgesehen ist, die bei Erreichen der Endstellungen einrastet und den Anker ohne Erregung festhält. Ein Rastmagnet bewirkt jeweils die Entrastung des Ankers. In Fig. 8 ist eine zweigeteilte Hauptwicklung 49a und 49b, eine einteilige Hauptwicklung 49c und aus Redundanzgründen eine zweigeteilte Rastmagnetwicklung 50a und 50b dargestellt. Ansonsten entspricht die Darstellung der Fig. 8 der, der Fig. 7. Auch hier kann im Falle eines Wicklungsausfalls eine andere Wicklung zum Notbetrieb eingesetzt werden.

Claims

1. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen zumindest teilweise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und herbewegbaren Anker, der ohne Ansteuerung der Wicklungen der Elektromagnete (Hauptwicklungen) durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte in einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen eines der Elektromagnete durch Magnetkraft festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der reduzierten Magnetkraft, zur Fixierung des Ankers in der Endstellung, wenigstens einer der Elektromagnete eine zusätzliche Haltewicklung aufweist, und daß die Haltewicklung eine im Vergleich zur anderen Wicklung große Windungszahl aufweist.

2. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewicklung zum Anschwingen des Ankers aus der Zwischenstellung mit angesteuert wird.

3. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewicklung zum Anschwingen mit einer gegenüber der Haltefunktion höheren Betriebsspannung beaufschlagt wird.

4. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine derartige Verschaltung der Haltewicklung, daß sie bei Ausfall der zugehörigen Hauptwicklung mit einer so hohen Betriebsspannung beaufschlagt wird, daß sie die Wirkung der Hauptwicklung übernimmt.

5. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine derartige Verschaltung der Hauptspule, daß sie bei Ausfall der zugehörigen Hauptwicklung mit einer solchen Steuerspannung beaufschlagt wird, daß sie alleine auch die Wirkung der Haltespule übernimmt.

6. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule mit reduziertem Stromfluß mit zur Haltefunktion beiträgt.

7. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Hauptspule in der Haltefunktion getaktet wird.

8. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom der Haltespule getaktet wird.

9. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktung zeitlich nacheinander mit unterschiedlichem Mittelwert erfolgt.

10. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1-9. gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Steuerung eines Ventils eines Verbrennungsmotors.

11. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung nur einer Haltewicklung bei einem der Elektromagneten die Haltewicklung dem Schließmagneten zugeordnet ist.

12. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Hauptwicklung des Magneten, der das Ventil schließt, aus zwei getrennten Wicklungsteilen besteht.

13. Elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen zumindest teilweise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und herbewegbaren Anker, der ohne Ansteuerung der Wicklungen der Elektromagnete (Hauptwicklungen) durch zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte in einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Erreichen einer Endstellung wenigsten in der Nähe der Polflächen eines der Elektromagnete durch eine durch einen Rastmagneten betätigbare Rasteinrichtung festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten die Hauptwicklung, des Magneten, der das Ventil schließt, aus zwei oder mehreren Wicklungsteilen besteht.